Question

6．鎳電池廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)，電極材料由NiO₂、Fe和碳粉涂在鋁箔上制成．放電過程中產(chǎn)生Ni（OH）₂和Fe（OH）₂，F(xiàn)e（OH）₂最終氧化、脫水生成氧化鐵．由于電池使用后電極材料對環(huán)境有危害，某學(xué)習(xí)小組對該電池電極材料進(jìn)行回收研究．
已知：①NiCl₂易溶于水，F(xiàn)e³⁺不能氧化Ni²⁺．
②某溫度下一些金屬氫氧化物的K_sp及開始沉淀和完全沉淀時(shí)的理論pH如表所示：

M（OH）n	Ksp	pH
		開始沉淀	沉淀完全
Al（OH）3	2.0×10-32	3.8	-
Fe（OH）3	4.0×10-38	1.9	3.2
Fe（OH）2	8.0×10-15	6.95	9.95
Ni（OH）2	6.5×10-18	5.9	8.9

回答下列問題：
（1）該電池的負(fù)極材料是Fe正極反應(yīng)式為NiO₂+2H₂O+2e^-=Ni（OH）₂+2OH^-；
（2）若電池輸出電壓為3V，給2W燈泡供電，當(dāng)電池消耗0.02gFe，理論上電池工作1.72min（小數(shù)點(diǎn)后保留2位），（已知F=96500C/mol）
（3）將電池電極材料用鹽酸溶解后加入適量雙氧水，其目的是將溶液中的Fe²⁺氧化為Fe³⁺，過濾，在濾液中個(gè)慢慢加入NiO固體，則開始析出沉淀時(shí)的離子方程式是NiO+2H⁺=Ni²⁺+H₂O和Fe³⁺+3H₂O=Fe（OH）₃↓+3H⁺．若將兩種雜質(zhì)陽離子都沉淀析出，pH應(yīng)控制在5.1～5.9之間（離子濃度小于或等于1×10^-5mol/L為完全沉淀，lg2=0.3、lg3=0.5）；設(shè)計(jì)將析出的沉淀混合物中的兩種物質(zhì)分離開來的實(shí)驗(yàn)方案將混合物加入NaOH溶液中充分溶解，過濾、洗滌，濾渣為Fe（OH）₃，將濾液通入足量CO₂，過濾、洗滌，得沉淀物Al（OH）₃
（4）將加入NiO過濾后的溶液加入Na₂C₂O₄，得到NiC₂O₄•2H₂O和濾液A，A的主要成分是NaCl溶液；電解濾液A，在陰極產(chǎn)生氣體BH₂（填分子式）；在陽極產(chǎn)生氣體CCl₂（填分子式）．將NiC₂O₄•2H₂O加入到電解后的溶液，再通入電解時(shí)某電解產(chǎn)生的氣體，即可得到回收產(chǎn)品Ni（OH）₃，所通入氣體為C（填“B”、“C”）極氣體，判斷依據(jù)是要實(shí)現(xiàn)Ni（OH）₂→Ni（OH）₃，鎳元素化合價(jià)升高，需要加入氧化劑，則通入的氣體應(yīng)為陽極產(chǎn)生的Cl₂．

Answer 1

分析 （1）電極材料由NiO₂、Fe和碳粉涂在鋁箔上制成，放電過程中產(chǎn)生Ni（OH）₂和Fe（OH）₂，鐵做負(fù)極，NiO₂做正極發(fā)生還原反應(yīng)生成Ni（OH）₂，結(jié)合電荷守恒和原子守恒配平書寫電極反應(yīng)；
（2）依據(jù)I=$\frac{P}{U}$，Q=tI，電池工作時(shí)鐵失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成+2價(jià)鐵，結(jié)合電子守恒計(jì)算；
（3）廢電池電極材料加入鹽酸溶解，得到氯化鎳、氯化亞鐵、氯化鋁，加入適量雙氧水的目的是將溶液中的Fe²⁺氧化為Fe³⁺，加入NiO的目的是調(diào)節(jié)溶液PH值，先后沉淀鐵離子和鋁離子，加入NiO固體，則開始析出沉淀時(shí)的離子方程式是：NiO+2H⁺=Ni²⁺+H₂O，F(xiàn)e³⁺+3H₂O=Fe（OH）₃↓+3H⁺，鋁離子后沉淀，當(dāng)鋁離子濃度小于或等于1×10^-5mol/L為完全沉淀，Al（OH）₃的K_sp=2.0×10^-32，則此時(shí)c³（OH^-）=$\frac{{K}_{sp}}{c（A{l}^{3+}）}$=$\frac{2.0×1{0}^{-32}}{1×1{0}^{-5}}$，c（OH^-）=$\root{3}{2}$×10^-9mol/L，c（H⁺）=$\frac{{K}_{w}}{c（O{H}^{-}）}$=$\frac{1×1{0}^{-14}}{\root{3}{2}×1{0}^{-9}}$，PH=-lg（H⁺）=5.1，當(dāng)PH=5.9時(shí)，鎳離子開始沉淀，則PH控制在5.1～5.9時(shí)，鐵離子和鋁離子都沉淀析出，過濾得到Fe（OH）₃，Al（OH）₃，氫氧化鋁是兩性氫氧化物，把氫氧化鐵和氫氧化鋁溶于過量氫氧化鈉溶液中過濾得到濾渣為氫氧化鐵沉淀，濾液為偏鋁酸鈉溶液，再通入過量二氧化碳沉淀出氫氧化鋁；
（4）濾液A為氯化鈉溶液，電解時(shí)陰極得到氫氣，陽極得到氯氣；通入的氣體為Cl₂，氯氣、氫氧化鈉溶液和NiC₂O₄•H₂O反應(yīng)生成Ni（OH）₃．

解答 解：（1）電極材料由NiO₂、Fe和碳粉涂在鋁箔上制成，放電過程中產(chǎn)生Ni（OH）₂和Fe（OH）₂，鐵做負(fù)極，NiO₂做正極發(fā)生還原反應(yīng)生成Ni（OH）₂，結(jié)合電荷守恒和原子守恒配平書寫電極反應(yīng)為：NiO₂+2H₂O+2e^-=Ni（OH）₂+2OH^-，
故答案為：Fe；NiO₂+2H₂O+2e^-=Ni（OH）₂+2OH^-；
（2）電池輸出電壓為3V，給2W燈泡供電，電流I=$\frac{P}{U}$=$\frac{2}{3}$A，消耗0.02gFe，鐵失電生成+2價(jià)鐵，電子轉(zhuǎn)移總物質(zhì)的量=$\frac{0.02g}{56g/mol}$×2=0.000714mol，
理論電池工作時(shí)間t=$\frac{Q}{I}$=$\frac{0.000714mol×96500C/mol}{\frac{2}{3}A}$=103.3515s≈1.72min，
故答案為：1.72；
（3）方案中加入適量雙氧水的目的是將溶液中的Fe²⁺氧化為Fe³⁺，加入NiO的目的是調(diào)節(jié)溶液PH值，先后沉淀鐵離子和鋁離子，加入NiO固體，則開始析出沉淀時(shí)的離子方程式是：NiO+2H⁺=Ni²⁺+H₂O，F(xiàn)e³⁺+3H₂O=Fe（OH）₃↓+3H⁺，鋁離子后沉淀，當(dāng)鋁離子濃度小于或等于1×10^-5mol/L為完全沉淀，Al（OH）₃的K_sp=2.0×10^-32，則此時(shí)c（OH^-）³=$\frac{{K}_{sp}}{c（A{l}^{3+}）}$=$\frac{2.0×1{0}^{-32}}{1×1{0}^{-5}}$，c（OH^-）=$\root{3}{2}$×10^-9mol/L，c（H⁺）=$\frac{{K}_{w}}{c（O{H}^{-}）}$=$\frac{1×1{0}^{-14}}{\root{3}{2}×1{0}^{-9}}$，PH=-lg（H⁺）=5.1，當(dāng)PH=5.9時(shí)，鎳離子開始沉淀，則PH控制在5.1～5.9時(shí)，鐵離子和鋁離子都沉淀析出，過濾得到Fe（OH）₃，Al（OH）₃，氫氧化鋁是兩性氫氧化物，把氫氧化鐵和氫氧化鋁溶于過量氫氧化鈉溶液中過濾得到氫氧化鐵沉淀，濾液為偏鋁酸鈉溶液，再通入過量二氧化碳沉淀出氫氧化鋁，具體步驟為：將混合物加入NaOH溶液中充分溶解，過濾、洗滌，濾渣為Fe（OH）₃，將濾液通入足量CO₂，過濾、洗滌，得沉淀物Al（OH）₃，
故答案為：將溶液中的Fe²⁺氧化為Fe³⁺；NiO+2H⁺=Ni²⁺+H₂O；Fe³⁺+3H₂O=Fe（OH）₃↓+3H⁺；5.1～5.9之間；將混合物加入NaOH溶液中充分溶解，過濾、洗滌，濾渣為Fe（OH）₃，將濾液通入足量CO₂，過濾、洗滌，得沉淀物Al（OH）₃；
（4）濾液A為氯化鈉溶液，電解時(shí)陰極得到氫氣，陽極得到氯氣；要實(shí)現(xiàn)Ni（OH）₂→Ni（OH）₃，鎳元素化合價(jià)升高，需要加入氧化劑，則通入的氣體應(yīng)為陽極產(chǎn)生的C即Cl₂，故答案為：NaCl溶液；H₂；Cl₂；C；要實(shí)現(xiàn)Ni（OH）₂→Ni（OH）₃，鎳元素化合價(jià)升高，需要加入氧化劑，則通入的氣體應(yīng)為陽極產(chǎn)生的Cl₂．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了物質(zhì)分離提純實(shí)驗(yàn)過程分析判斷，涉及原電池原理的理解應(yīng)用和電極反應(yīng)書寫、電子守恒的計(jì)算、難溶電解質(zhì)的計(jì)算、電解綜合運(yùn)用，綜合性強(qiáng)，計(jì)算量大，有一定難度．